Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Ascensiunea COMOTI în topul european al cercetărilor motoarelor cu detonație

21 Septembrie 2023



Institutul Național de Cercetare – Dezvoltare Turbomotoare COMOTI a început să desfășoare cercetări în domeniul motoarelor cu detonație încă din 2013, când unconsorțiu internațional, condus de COMOTI și din care mai făceau parte Institutul de Dinamica Fluidelor „von Karman” din Bruxelles (VKI), Universitatea Tehnică din Lund, și Institutul de Fizică Aplicată din Chișinău, a început activitățile de cercetare în proiectul TIDE (Tangential Impulse Detonation Engine), finanțat de către Comisia Europeană prin Programul Cadru FP7.

Primul proiect
Proiectul își propunea dezvoltarea conceptuală a unui motor cu detonație care includea un compresor radial supersonic cu grad mare de comprimare și un ansamblu de șapte camere de detonație pulsatorie amplasate pe un disc rotativ care le permitea să asigure atât antrenarea compresorului cât și forța de tracțiune a motorului. Suplimentar, proiectul a avut ca obiectiv și realizarea practică a unei camere de detonație pulsatorii de tipul celora care urmau să echipeze motorul.
Managerul proiectului a fost dr. Ionuț Porumbel, iar echipa COMOTI dedicată TIDE a beneficiat de priceperea și entuziasmul colegilor dr. Cleopatra Cuciumita, dezvoltare experimentală și adjunct al directorului de proiect, dr. Constantin Eusebiu Hrițcu, și dr. Gabriel Ursescu, proiectare mecanică, dr. Bogdan Gherman și dr. Valeriu Drăgan, calcul și proiectare compresor.
Ca orice început, proiectul s-a dovedit dificil, iar succesul doar parțial. Dacă dezvoltarea conceptuală nu a ridicat probleme majore, realizarea practică a unei camerei de detonație pulsatorie funcționale s-a dovedit mult mai dificilă. Deși testele preliminare de laborator desfășurate la Chișinău sub conducerea d-lui Tudor Cuciuc, coordonatorul echipei IFA, au validat geometria propusă de acesta, reușind să producă unde de detonație repetabile și controlabile, creșterea dimensiunilor elementelor constitutive până la scara necesară realizării unei camere de detonație utilizabile s-a dovedit a fi nepractică la acel moment, în principal din cauza lipsei unei infrastructuri de cercetare suficient de bine dezvoltate.
Proiectul TIDE încheindu-se, iar rezultatele fiind promițătoare, dar incomplete, ne-am concentrat pe a căuta finanțarea necesarăcontinuării cercetărilor. Primele încercări, în 2015, au vizat programul european de cercetare Horizon 2020, continuatorul FP7, în care am propus un proiect care ar fi implicat un consorțiu extins, incluzând, pe lângă partnererii inițiali, și Universitatea Tehnică din Berlin, Universitatea Tehnică Regală din Stockholm, și Universitatea Politehnică din București. Dar, deși am obținut o evaluare pe alocuri elogioasă și un punctaj bun, nu am obținut și finanțarea. Interesul european în domeniul aviației se mutase pe reducerea noxelor, iar finanțarea pentru noi tehnologii revoluționare scăzuse, ducând și la o creștere majoră a concurenței pentru fondurile rămase.
Deși, pe parcurs, am mai luat în considerare și alte variante de finanțare, precum programele de cercetare „Science for Peace and Security” ale NATO sau programele naționale de cercetare, până la urmă soluția optimă pentru finanțarea pe mai departe a cercetărilor s-a dovedit a fi reorientarea de la domeniul aviației către propulsia spațială.



Continuarea cercetărilor inițiale și principala realizare
Primul succes în obținerea unui contract de cercetare în domeniul detonației după TIDE a fost înregistrat în 2016 cu proiectul MILADEE (Micro-Launcher based on Detonation Engine), finanțat de ROSA (Agenția Spațială Română) prin programul STAR (Space Technology and Advanced Research). Deși am pierdut o parte din capabilitățile tehnico-științifice, pentru că a trebuit să întrerupem colaborarea cu partnerii străini, pe care regulile ROSA îi impiedică să participe în consorțiu, am reușit să-l păstrăm alături de noi pe dl. Tudor Cuciuc de la Chișinău, cel care a fost și rămâne mentorul și creierul echipei, aducându-l în echipa COMOTI ca angajat cu normă parțială. Proiectul MILADEE și-a propus abordarea la scară de laborator a problemelor rămase nerezolvate în TIDE, legate de aprindere, ardere incompletă, variabilitatea intensității și frecvenței ciclulurilor de detonație, și altele, însă obiectivul principal, și principala realizare a proiectului a fost dezvoltarea unui stand experimental de detonație capabil să permită derularea de activități experimentale la scară compatibilă cu necesarul pentru un motor utilizabil în aplicații reale. Standul, parte componentă a Centrului de testare și cercetări experimentale pentru sisteme de propulsie, lansatoare și alte echipamente specifice domeniului Spațiu și Securitate (TESS, în curs dezvoltare de către COMOTI) a fost amplasat în locația COMOTI din Măgurele, jud. Ilfov, și a devenit operațional, în forma sa inițială, în 2018.În prezent continuă să fie extins, dezvoltat și dotat cu noi instrumente de măsură și echipamente.



Noi proiecte cu ESA, rezultate superioare și un concept inovator
Cu infrastructura de cercetare astfel adusă la standardele minimale necesare, cu identificarea, în Agenția Spațială Europeană (ESA), a unui finanțator interesat de tehnologie, cu experiența unui proiect în domeniul spațial în spate, ne-am alăturat unuia din partenerii externi inițiali, VKI și al său dr. Bayindir Saracoglu, care a devenit coordonatorul de proiect și, împreună cu Universitatea Politehnică din Madrid, am concurat, și câștigat două proiecte de cercetare - PDT (Pulsed Detonation Thruster), în 2020 și RDE (Rotating Detonation Engine), în 2022 -, finanțate direct de către ESA. În ambele proiecte am beneficiat de consilierea profersorului Guillermo Paniagua, de la Universitatea Purdue, din Statele Unite al Americii, unul dintre vechii noștri colaboratori din TIDE și astăzi unul dintre cei mai importanți cercetători în domeniul combustiei supersonice, cu îndelungate și fructuoase colaborări cu NASA.
PDT s-a încheiat de curând, în iunie 2023, cu rezultate foarte bune, realizând un model de motor validat în condiții de funcționare similare celor reale (în cameră de vid), și definind precis limitele de funcționare ale acestuia, ceea ce va permite definirea misiunilor pe care noul motor le poate deservi, și trecerea, în următorii 5 – 10 ani, la dezvoltarea unui sistem de propulsie integrat, cu capabilități de accelerare și decelerare, capabil de funcționare în misiuni spațiale reale.
RDE schimbă abordarea conceptuală a motorului cu detonație, explorând înlocuirea undei de detonație pulsatorii, care este inițiată periodic de o bujie și se deplasează de-a lungul unei țevi de evacuare, expulzând din motor gaze de ardere la presiune mare, al căror impuls generează forța de tracțiune, cu o undă de detonație care se rotește continuu în interiorul motorului utilizând combustibilul introdus în camera de detonație în locații alese astfel încât să o întrețină. Prezența continuă a acestei unde în interiorul camerei de detonație crează o presiune foarte înaltă care, la fel ca în cazul precedent, generează tracțiunea motorului.



Perspective frumoase
Echipa de cercetare a fost extinsă și ea, deoarece am reușit să atragem câțiva tineri cercetători de perspectivă, precum Andrei Cojocea și Mihnea Gall, și alții.
În momentul de față, modelul experimental de cameră de detonație pulsatorie ne plasează în topul european al cercetărilor în domeniu, alături de echipa Universității de Tehnologie din Wroclaw și de Universitatea Tehnică din Berlin, și printre puținele echipe de cercetare care au reușit să obțină același nivel de dezvoltare a tehnologiei pe plan mondial, alături de cercetători din S.U.A., Japonia și Rusia. Pe viitor, vom continua să dezvoltăm conceptul la nivelul următor de pregătire tehnologică, urmărind optimizarea aprinderii și amestecării în vid, și dezvoltarea practică a sistemelor de comandă și control a acelerării și frânării.
De asemenea, urmărim să dezvoltăm și conceptul de detonație rotativă până la nivelul atins cu detonața pulsatorie. Suntem deja în discuții cu ESA pentru a găsi soluții de continuare și creșetere a finanățării cercetărilor, interesul pe care aceștia îl acordă noii tehnologii fiind demonstrat de includerea unei sesiuni dedicate detonației în Workshopul pentru sisteme de propulsie inovative organizat la sediul ESA din Noordwijk, Olanda, în iunie 2023.

Avantajele cercetării și dezvoltării de tehnologii de propulsie bazate pe detonație
Detonația este procesul de ardere care se desfășoară la viteze supersonice în raport cu condițiile din aval. Procesul are loc prin cuplarea unei unde de șoc creată de un curent de gaz care se propagă la viteze supersonice prin camera de detonație, cu frontul de flacără exotermic creat prin aprinderea undei bujii. Unda de șoc generează o creștere abruptă a presiunii și temperaturii în mediul în care se propagă, creînd astfel condițiile ca reacțiile chimice de ardere să se desfășoare cu o intensitate și viteză foarte mari. În aplicațiile practice uzuale ale arderii (arzătoare, motoare, etc.), în care combustia este subsonică, și poartă numele specific de „deflagrație”, viteza arderii este ordinul a 1 m/s. În detonație, această viteză crește dramatic, ajungând la valori de ordinul a 1 km/s. Mai mult, presiunile și temperaturile care se ating în unda de detonație sunt mult mai mare decât în arderea clasică, atingând presiuni de peste 20 de bari și temperaturi între 1000°C și 5000°C.
Aceste condiții deosebite crează premizele unei creșteri importante de randament al arderii, atât prin creșterea gradului de perfecțiune a arderii, adică a transformării cât mai complete a reactanților în produși de ardere finali, extrăgând întreaga energie chimică disponibilă în combustibil, cât și datorită faptului că, în detonație, eliberarea de căldură este suficient de rapidă astfel încât să nu permită expansiunea gazului încălzit către aval, și egalizarea presiunilor, detonația având loc cu creștere de presiune. În acest mod, dacă în deflagrație (arderea clasică) energia chimică este transformată în creștere de temperatură, care, pentru un motor, necesită o conversie ulterioară în lucru mecanic, în detonație, o parte din această energie este convertită într-o creștere de presiune care poate produce direct lucru mecanic motor. Această creștere de randament este estimată a fi în jur de până la 15 %, ceea ce constituie o îmbunătățire majoră, cu efecte directe asupra consumului de combustibil. Daca adăugăm la aceasta și creșterea perfecțiunii arderii, menționată anterior, care reduce cantitatea de emisii poluante generate de procesul de ardere, și faptul că detonația utilizează, în general, combustibili mult mai curați decât arderea clasică, precum hidrogenul, studiul acestui proces și dezvoltarea de tehnologii și sisteme de propulsie bazate pe detonație devine o activitate foarte atractivă și promițătoare.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite